时间失去了方向_宇宙时间奥秘
伊萨克·牛顿于 1642 年圣诞日出生在林肯郡乌斯索普的一个小庄园里。因为过于早产，他成活的可能性极小；他的妈妈汉娜说，他简直可以放进一个一夸脱的罐子里。可是在他以 84 岁之高龄去世时，大街上举行了游行盛典，举办了露天表演，诗人为他写诗，雕刻家为他雕像，赞扬他的生平。伏尔泰（Voltaire）曾写道，“他像一个国王那样被安葬了，一个为其臣民做过大好事的国王”。
牛顿了解运动的意义，从行星绕日的轨道到箭矢射中目标的径迹，他都搞通了。在大瘟疫盛行的时日，他发展了包括时间在内的，对宇宙的第一个主要的数学描述，其中融合了哥白尼（Copernicus）、开普勒（Kepler）的天文学思想和伽里略（Galileo）的新运动理论。许多人把 1666 年称为他的奇迹年，正是因为他在这一年中在数学、光学和天体力学各方面迈出了巨大步伐。其实 1665 年也同样是奇迹年。在他五十年后的一篇记述中，牛顿描述他自己的成就时写道：“所有这些都是在 1665 —1666 大瘟疫的两年间取得的。因为那些日子我正年轻力壮，富于创造，以后就再也没有像那时那样专心致志于数学和哲学了。”
毫无疑问，牛顿对于数学和物理学的贡献是无与伦比的，它们开辟了一条分析物理世界的全新途径。他通过主宰天空和地球的定律而揭示了自然界的统一性。他一生的成就，被古体诗大诗人坡普（Alexander Pope），在西敏斯特大教堂著名的牛顿墓志铭上，简洁地概括为：
大自然
和它的规律深藏在黑夜里。
上帝说，
让牛顿出世吧！
于是一切就都在光明之中。
1686 年 4 月 28 日牛顿将《数学原理》的第一册提交给皇家学会，这是物理科学的转折点。有些人认为《原理》一书是有史以来最伟大的科学著作，是科学文献皇冠上的一颗宝石。另一些人把它比作高耸于周围一群摇摇欲坠的临时建筑之上的一座大厦。牛顿也认为这书是自己所有著作中最高的成就。在其书第三册的开始他自豪地写道：“我现在就来说明世界体系的框架。”
时间在这个首次对运动的科学描述中肯定地出现，就像最早的钟表
利用运动把时间的流逝转换为容易测量的量，例如钟摆在空间的摆动一样。在他的《原理》中，牛顿提出了运动的三个定律，这三个定律改写了关于运动的科学。他证明了地球上和天空中的物体都是被同一种力— —引力——所支配，即使行星保持在一个轨道上，而像苹果这样的物体却落向地面。这样，他也同时解决了人类自太初以来一直大惑不解的一个问题——行星在太空的运动——这也正是守时和航海的关键问题。
为了把天空作为一个精确的时钟或历表，不仅需要有关太阳和恒星运动的信息，而且也需要有一套把这些资料编制成理论的方法。牛顿推导出天体运动的数学表达式，其精度是前所未有的。说起来也很妙，虽然牛顿对于天空的迷恋根源于神学，他的思想却成为人类斩断这种联系的铁砧。恰恰正是天体的运动、它们的轨道和重复的循环，最终导致了人们把理解的重心从魔法、巫术和诸神转移到科学和数学原理上去。正如罗素（BertrandRussell）写道的：“几乎所有现代世界与古代世纪之间的区别，都得归功于在十七世纪取得最辉煌成就的科学。”
时间的概念由人类对天文学的追求而出现的这一过程，鲜明地表现了科学思想的进化。古代的民族为了预期何时洪水发生，为了知道冬季的开始和第一个春日的到来，认识到了标志时间流逝的重要性。我们今天用时钟的指针在 24 小时的周期中扫过钟面来量度时间，而他们靠的是太阳的升起下落、月亮的周月运动或者载运众星的夜空从地平线的一方到另一方的转动。因此几乎所有的文化之中都有天文学的脉络，也就不足为奇了。
生命是围绕着维持生命所需要的能量而构成的，这种能量从太阳源源不断地流向地球。这座天钟的节奏对地球上的生命是如此之基本和重要，以至于几乎每一个活着的生物身上都反映着这种节奏（我们将在第七章和附录中再回到这个话题）。能量顷注到地球上的每一个角落，从太阳自东方升起之时一直到夕阳西下。这是一个由于地球绕着自己的轴转动而引起的视运动，它可以用来守时——牛顿据说就能根据影子的位置来指出一天中的时间。
太阳的第二个视运动提供给我们一个季节变化的时间单位——年— —它大约等于 365.25 天。因为地球绕日的轨道周期并不正好等于整的天数，所以每四年要多加一天，也就是闰年，来防止误差的积累。太阳在天空中位置的季节性变化以及季节本身的出现，是由于地球在空间中的取向：它的自转轴相对于它绕日的椭圆轨道平面是倾斜的。婆罗洲的部落利用观测太阳高度的变化来观察季节的更迭。在英国索尔兹伯里平原上矗立着一座巨石群，这是一座巨石堆砌而成的庙宇，古人用其石柱相对于太阳的列向而测定季节。另外还有一些天体时钟也曾被使用过。其中在古代计时中最重要的要算是月亮的周期了，每相隔大约 29．5 天，新月就在西方傍晚天空出现一次——这一运动周期近似等于我们的一个
月。天上的星座也同样关联着季节的循环，有些星宿在夏季主宰着夜空，而另一些却在冬季出现。
天文学在人类历史上的起源要早于其它自然科学，它起源于史前时代，但最初记录没有被保留下来。在最古的文明中，占卜或占星术被用来解释恒星和太阳的运动：例如中美洲的阿芝特克族就相信太阳必须由血和一颗跳动着的人心来滋养，否则就会消失。在那些黑暗的日子里，科学与宗教之间没有冲突：教士、术士或沙曼（shaman）总是多疑善防地守护着关于季节和历法的知识。这些知识被当做是人世间神绩的标记，教士们因此在社会中拥有崇高的地位，因为他们能够预言未来，并取得了某些成功。天文学意味着凌驾于他人之上的权力。天文学通过季节指示人们，何时应当耕种，何时应当收获或者迁移牧群。宗教和祭祀活动同样也必须在特定的时节举行，例如与月相相合的日子或冬夏至日。天文学也帮助指引行路人。难怪圣经中跟着一颗星而走到伯利恒的三个人被认为是智者。
历法的兴起使人类的活动能更精确地与季节配合，因而更加协调。历法中所使用的三种周期——日，月，年——都是基于对人类生活具有最大的影响的天文周期。最早的历法依赖于月亮，因为它不仅有升起下落，还在一个月的周期中改变着位相，从而便于描述季节。后来的历法发展是根据太阳的周年循环。古代埃及人所使用的历法，被认为是古代最先进的太阳历之一。尼罗河的泛滥是古埃及人一年中最大的事件，而预言这一事件的关键是天文学，因为这一事件恰好与天空中最亮的星— —天狼星（Sirius）——黎明前在东方地平线上出现相偶合。这一事件对古埃及人是如此重要，以至于他们把天狼星的升起称之为“一年的开启”，他们的历法就是围绕这一事件而编制的。
许多古代历法中使用基于新月之间大约 30 天平均周期的 12 个月，这样的一年太短，需要延长。最初的埃及历法是就用 12 个月，每月 30 天，这样一年就只有 360 天。后来在每年的末尾加上了五天来使得“太阴月”与基于太阳的季节保持协调，从而和“一年的开启”步调一致。
把从日出到日出的一天划分为 24 小时的办法出自埃及人。他们用一个小时的间隔来标记从东方地平线升起的恒星或者星群，这样恒星横越天空的运动也就是 12 个小时。因而就有了 12 个小时的夜晚，后来很可能是为了对称性的缘故，也就出来个 12 个小时的白天。白昼的时间他们用水钟来测量，水从一个石制容器的孔中不断滴出而记录时间的流逝；他们还用日暑和影钟，利用阴影扫过钟面来显示时刻。但这样显示的是“不均匀时刻”，它们并不均等而且随着季节变化。在日本，这种“不均匀时刻”直到十九世纪还在用，而且机械钟还要调得与之相应。在欧洲，从十四世纪城市采用了机械钟后，一天就被划分为均等的 24 小时了。
我们现用的历法是由古罗马人使用过的历法而衍生来的。古罗马人
用的是太阴月，为了补足太阳年，他们不时地插入一个闰月。到了凯撒（JuliusCaesar）时代，这种处理办法已混乱到冬天的月份落到了秋季的地步。这个置闰法被某些教皇和某些有权决定闰月的官员滥用过，这一班人为了政治上的原因用此延长公职任期或提前进行选举。到了公元前 47 年，这个历法和太阳年之间已脱节达三个月之多。次年，在希腊天文学家索西杰尼斯（Sosigenes）的指导下，凯撒不仅加了一个惯常的 23 天，而且还插入了两个追加月，使得那年的天数总共有 445 天。这一年后来被称为“混乱年”。从那以后，十二个月的每一个月便具有现在的天数。
可是，一年 365．25 天的儒略历，每年还是要长出 11 分 14 秒。随着世纪的推移，历书上季节日期不断前移，凯撒时代发生在 3 月 25 日的春分到了 1582 年已移到 3 月 11 日。那一年，教皇格里高利十三世
（ Gregory ⅩⅢ）颁布了一种新的更精密的历法，同时把 10 月 4 日后面的一天指定为 10 月 15 日。然而新教徒不情愿接受天主教的这项革新。在英国直到 1752 年才用格里历来取代儒略历。随后一个跚跚来迟的 11 天的改正还引发了伦敦和布里斯托街头的骚乱，而使一些人丧生。工人们要求那几天的工资；很多人认为他们失去了自身生命的一部分。这一件事也影响到牛顿的出生日，这一日子按现代的格里历应是 1643 年 1 月 4 日。希腊正教直到 1924 年才采用格里历，但还有一些定期集市和地区性节日仍然沿用儒略历。穆斯林们用一种月亮历，因此他们神圣的斋月每格里年都得提前。
星期并不是根据天空的运动。正如伦敦社会研究所所长杨
（MichaelYoung）所指出，“太阳并没有成为唯一的主人。人类可以创造他们自己的周期，并不是必须依赖现成的东西。没有其它任何生物，能表现出对于天文学如此强的独立性。没有其它任何生物有星期。”星期的出现，很可能是因为社会对一个小于月而大于天的时间单位感到需要。如果人们洗衣、作礼拜和度假能有规律，社会活动就会进行得更加平稳。古代哥伦比亚人常用为期三天的星期。古希腊人喜欢十天一周而某些原始部落却偏爱一星期只有四天。七天一周源出于巴比伦人，后来影响到犹太人（虽然前者是以“恶日”而不是以“安息日”来结束一周，当天为了讨好诸神而施行各种禁忌——这也许是对星期天活动诸多限制的起源）。七天一星期广得人心，许多想改变它的企图都没有成功过。法国人在大革命后曾试图把它变为十进制，然而他们的十天一周终被拿破伦废弃了。在 1929 年苏联人曾尝试引用五天一星期，并在 1932 年把它延长到六天，可是到了 1940 年还是回到了七天一星期。
正如星期不理会天文学一样，现代守时技术也不理会天文学。现代科学的发展，使时间量到越来越小的间隔。像星期一样，小时被分成分和秒也起源于最早的科学天文学家巴比伦人，当他们在大约公元前 1800
年完成他们的星表时，所有的计算都是以 60 进制进行的。但是只是到了工业革命以后，由于火车时刻表和其它一些详尽的工作程序表的需要，“分”才日益变得像今天这样重要。这种把时间不断越分越小的趋向，是和科学的发展需要处理极端快速的过程联系着的。例如，一个激光脉冲可以被用来捕捉类似原子在一个衰变中的分子里运动这类事件，这种事件持续的时间只有几十个亿亿分之一秒。
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